不同條件對口罩用熔噴布過濾效率與氣流阻力的影響

王清源

（鎮江市產品質量監督檢驗中心，江蘇 鎮江 212000）

2020年，新冠疫情爆發，口罩成為爭相采購的商品，而口罩中間層的核心材料，聚丙烯熔噴法非織造布（簡稱熔噴布）一度成為網紅產品，為大眾熟知。熔噴非織造布是聚合物一步法成布技術中的一種。20世紀50年代初，美國海軍實驗室在政府資助下發明了熔噴非織造布技術，即熔融聚合物被柱塞擠壓機擠入一股斂聚的熱氣流，形成超細纖維吹向凝網器堆積成一種超細過濾材料，生產出尼龍熔噴非織造布[1]。目前，口罩用熔噴布多以聚丙烯為原料，因具有獨特毛細結構的超細纖維來增加單位面積纖維的數量和表面積，使其對空氣中的微細粉塵和細菌等微納米顆粒具有優良的捕獲性能。

對于應用于空氣過濾領域中的非織造布濾料，很重要的過濾性能指標是顆粒物過濾效率和氣流阻力[2]。過濾效率是指對過濾元件進行實驗時，過濾元件過濾掉的氣溶膠濃度與過濾前的氣溶膠濃度之比；氣流阻力是指在一定實驗風速或風量下，過濾元件前后的靜壓差[3]。口罩是過濾領域的一種典型產品，在現行有效的標準中對過濾效率項目的測試流量和技術要求不盡相同，如在YY 0469—2011《醫用外科口罩》[4]標準中規定過濾效率項目測試流量為（30±2）L/min，過濾效率大于等于30%；在GB/T 32610—2016《日常防護型口罩技術規范》[5]中規定過濾效率項目測試流量為（85±4）L/min，過濾效率因級別不同要求不同，最低不得低于90%。國內現行的熔噴布標準也有很多，多為新制定的地方標準和團體標準，其中，FZ/T 64078—2019《熔噴法非織造布》[6]作為唯一的行業標準，其過濾效率項目采用的就是GB/T 32610—2016附錄A的方法，測試流量為（85±4）L/min。本次研究在不同的測試流量、疊加層數和加載時間3種條件下，分別測得熔噴布過濾效率和氣流阻力結果，分析其變化情況，為熔噴布的生產、應用和口罩的使用提供參考依據。

1 實驗

1.1 樣品準備

實驗樣品為自備白色熔噴布，門幅175 mm，克重25 g/m2，厚度為0.47 mm。樣品不作溫濕度預處理，但均在實驗環境條件下放置24 h以上。

1.2 實驗設備

SJPM-F002顆粒物過濾效率測試儀，測試面積為100 cm2；過濾介質為NaCl氣溶膠，計數中粒徑為（0.075±0.020）μm。

1.3 實驗環境

實驗的環境溫度為（2 5±5）℃，相對濕度為（30±10）%。

1.4 實驗方法

（1）分別設置測試流量為30、40、55、70、85、100 L/min，測試單層熔噴布的過濾效率和氣流阻力。

（2）當測試流量為85 L/min時，對熔噴布進行層數疊加實驗，最大疊加層數為5層，每疊加1層記錄一次過濾效率和氣流阻力。

（3）當測試流量為85 L/min時，對單層熔噴布進行連續加載實驗，每間隔1 min記錄一次過濾效率和氣流阻力，記錄至30 min。

2 實驗結果和討論

2.1 不同測試流量的影響

表1是不同測試流量下的過濾效率和氣流阻力的實測值。從數據上可以看出，隨著測試流量的增加，過濾效率逐漸降低，氣流阻力逐漸增大。

表1 不同測試流量下過濾效率與氣流阻力的實驗結果

通過線性擬合，得到測試流量與過濾效率的線性關系方程式為：

相關系數R2為0.997 8。

測試流量與氣流阻力的線性關系方程式為：

相關系數R2為0.993，線性關系均很顯著，擬合曲線見圖1。

圖1 測試流量與過濾效率和氣流阻力的關系

通過方程式可以準確地計算出該熔噴布在不同測試流量下的過濾效率和氣流阻力。因此在熔噴布的生產和應用過程中，可以將成品熔噴布的折疊或壓制等工藝形成立體熔噴布，通過增加接觸面積來降低氣體通過流量，使熔噴布具有高過濾效率和低過濾阻力。

2.2 不同疊加層數的影響

表2是不同疊加層數下的過濾效率和氣流阻力的實測值。從實驗結果可以看出：隨著疊加層數的增加，過濾效率增速由快變慢最后趨于穩定，而氣流阻力逐漸增大。

表2 不同疊加層數下過濾效率與氣流阻力的實驗結果（測試流量：85 L/min）

通過線性擬合，可得到疊加層數與氣流阻力的線性關系方程式為：

相關系數R2為0.999 1，線性關系顯著，擬合曲線如圖2所示。

圖2 疊加層數與過濾效率和氣流阻力的擬合曲線

通過方程式可以準確地計算出該熔噴布在不同疊加層數下的氣流阻力值。在口罩生產過程中，可以通過多層疊加熔噴布的方法提高過濾效率，雖然氣流阻力也會增加，但是兩者存在不同的增長趨勢，可以通過上述方程計算不同層數的氣流阻力，尋找合適的疊加層數。

2.3 不同加載時間的影響

表3是不同加載時間下的過濾效率和氣流阻力的實測值。從數據上可以看出，隨著加載時間的延長，過濾效率和氣流阻力值均呈增大趨勢。

圖3是加載時間與過濾效率和氣流阻力變化關系曲線。從圖中可清晰地看出，在加載過程的前半程，過濾效率增長速度較快，氣流阻力增長速度較慢；在加載過程的后半程，過濾效率的增長速度放緩，而氣流阻力增速加快。出現這種變化情況的原因是在加載過程前期，氣溶膠顆粒物的集聚使得纖維的孔徑變小，過濾效率快速增大，當加載繼續時，纖維孔徑小到一定程度，過濾效率增速放緩，而此時，氣流阻力的增加速率越來越快。因此，在口罩實際使用過程中，建議消費者佩戴一段時間后更換，否則會因顆粒物的集聚使氣流阻力增大，造成佩戴者呼吸不暢。

表3 不同加載時間下過濾效率與氣流阻力的實驗結果（測試流量：85 L/min）

圖3 加載時間與過濾效率和氣流阻力變化關系

3 結語

在熔噴布的顆粒物過濾效率測試過程中，隨著測試流量的增加，過濾效率值呈線性下降的趨勢，氣流阻力值呈線性增大的趨勢；在測試流量不變的情況下，隨著疊加層數的增多，過濾效率值先增大后趨于穩定，差異變小，氣流阻力值呈線性增大趨勢；在測試流量不變的情況下，隨著加載時間的延長，過濾效率值和氣流阻力值均呈增大趨勢，過濾效率由急變緩，氣流阻力由緩變急。

在熔噴布生產過程中，可以考慮通過使用經過折疊或壓制成立體的熔噴布增加過濾面積、提高過濾效率，同時降低氣流阻力。在口罩的生產過程中，可以考慮在保證相對合適的氣流阻力前提下，采用增加熔噴布疊加層數的方式提高過濾效率。另外，建議消費者在日常佩戴口罩時，應及時更換，保證呼吸通暢。